Planning CERN's Large Hadron Collider: An Entanglement of Physics, Technology and Diplomacy

Abstract

This dissertation investigates the planning phase of one of the most emblematic scientific instruments ever built, the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. The focus of this investigation is the period from 1984, when the idea for the LHC first took shape, to 2000, when the project entered its construction stage. By opening the “black box” of the design and realization process of an instrument of such scale, we can observe the important changes that take place with regard to scientific goals, technical specifications and the rhetoric revolving around it, but also how the above are intertwined with the radical shifts in the wider historical context. By attempting, then, to reapproach the history of High Energy Physics (HEP) through the lens of scientific instrumentation and its material culture, many interesting aspects of the scientific process come to light, and the question of why and how a scientific instrument is made, within the framework of Big Science, can be answered in novel, interesting ways. The thesis begins by studying how the idea for the construction of the LHC was initially conceived as the “European answer” to the enormous SSC (Superconducting Super Collider), that was planned to be built in the US. Despite the fact that, at the time, it was not yet clear what its scientific goals would be, the prospect of the LHC became very important, as it was closely linked with the very existence, in the future, of both CERN and the European HEP community. That is why, despite the fact that the SSC project greatly surpassed the LHC on an energy scale, the European organization’s leadership did not abandon this endeavor. On the contrary, by presenting the LHC as an experimental infrastructure that would be complementary to the SSC, and with the support of the European high technology industry and states, it managed to keep the prospect alive, by rallying the European HEP community around it. A new status quo would arise in the aftermath of the Cold War. In 1993, the SSC project, crumbling under the weight of its exorbitant cost and the radical sociopolitical shifts, would be cancelled. In contrast, the LHC would increase its dynamic, by integrating, initially, countries from the former Eastern Bloc and later, from the entire world. In this way, CERN’s leadership, taking advantage of the wider socio-political developments -a new European integration and the rising globalization- and the fact that the LHC was now the sole prospect of HEP communities across the globe, presented the collider as a “world machine”. From this perspective, the LHC would also serve as an exemplar of global collaborations in the new era. This investigation concludes with another plot twist, that took place just before the LHC entered its final stage. More specifically, in 2000, the LHC had been scheduled to take the place of another collider at CERN, LEP (Large Electron-Positron). Since they would be using the same tunnel, LEP had to cease operations and be disassembled. In the fall of 2000, however, LEP’s experimentalists detected strong indications for an exceptionally important discovery, that of the Higgs boson. They, therefore, asked CERN’s leadership for an extension of the operation of the collider by a few months, in order to be able to investigate the data in depth. The CERN Directorate, despite recognizing the scientific importance of such an extension, decided, nonetheless, to shut down LEP, fearing the complete derailment of the LHC, which was facing immense financial pressure. The conflict that broke out around this matter, between the experimental community and CERN’s leadership, is another indicative case of how the worlds of physics, diplomacy and finance were intertwined, within the context of Big Science.

Στη διατριβή μελετάται ο σχεδιασμός ενός από τα πιο εμβληματικά επιστημονικά όργανα που φτιάχτηκαν ποτέ, του Large Hadron Collider (LHC) στο CERN. Στο επίκεντρο της έρευνας βρίσκεται η περίοδος από το 1984, όταν η ιδέα για τον LHC συγκροτήθηκε για πρώτη φορά, μέχρι το 2000, όταν πλέον ο επιταχυντής προχωρούσε στο στάδιο της κατασκευής του. Στη διάρκεια αυτών των χρόνων, ανοίγοντας το «μαύρο κουτί» της σχεδίασης ενός οργάνου τέτοιας κλίμακας, παρακολουθούμε τις σημαντικές αλλαγές που λαμβάνουν χώρα στους επιστημονικούς στόχους, στα τεχνικά χαρακτηριστικά και στη ρητορική που σχηματίζεται γύρω από αυτό, αλλά και το πώς τα παραπάνω διαπλέκονται με τις ριζικές αλλαγές στο ευρύτερο πολιτικοκοινωνικό πλαίσιο. Επιχειρώντας λοιπόν να επαναπροσεγγίσουμε την ιστορία της Φυσικής Υψηλών Ενεργειών (ΦΥΕ) μέσα από το πρίσμα των επιστημονικών οργάνων και του «υλικού πολιτισμού» της, πολλές ενδιαφέρουσες πτυχές της επιστημονικής διαδικασίας έρχονται στην επιφάνεια και το ερώτημα γιατί και πώς κατασκευάζεται ένα επιστημονικό όργανο, στα πλαίσια της Επιστήμης Μεγάλης Κλίμακας, αποκτά νέες ενδιαφέρουσες απαντήσεις. Η διατριβή ξεκινά μελετώντας το πώς η ιδέα για την κατασκευή του LHC γεννάται αρχικά ως η «ευρωπαϊκή απάντηση» στων τεραστίων διαστάσεων SSC (Superconducting Super Collider), που σχεδιάζεται στις ΗΠΑ. Παρά το γεγονός, ότι δεν είναι ακόμα σαφές ποιοι ακριβώς θα ήταν οι ερευνητικοί του στόχοι, η προοπτική του LHC αποκτά βαρύνουσα σημασία, καθώς είναι στενά συνδεδεμένη με τη μελλοντική ύπαρξη του CERN και της ευρωπαϊκής κοινότητας ΦΥΕ. Για τον λόγο αυτό, παρά το ότι ο σχεδιασμός του SSC προβλέπει ότι θα υπερκαλύπτει κατά πολύ τα επίπεδα ενέργειας του LHC, η ηγεσία του ευρωπαϊκού οργανισμού δεν εγκαταλείπει το εγχείρημα. Αντίθετα, παρουσιάζοντας τον LHC, σαν μια συμπληρωματική πειραματική υποδομή στον SSC, και έχοντας τη στήριξη της ευρωπαϊκής βιομηχανίας υψηλής τεχνολογίας και των ευρωπαϊκών κρατών, διατηρεί την προοπτική του LHC ζωντανή, συσπειρώνοντας γύρω του και την ευρωπαϊκή κοινότητα ΦΥΕ. Η αλλαγή των δεδομένων θα έρθει με το τέλος του Ψυχρού Πολέμου. Το ερευνητικό σχέδιο του SSC, το 1993, κάτω και από το βάρος του υπέρμετρου κόστους του και των ραγδαίων κοινωνικοπολιτικών αλλαγών θα ματαιωθεί. Αντίθετα, ο LHC θα αυξήσει τη δυναμική του, προσαρτώντας στο εγχείρημα αρχικά κράτη από το πρώην Ανατολικό Μπλοκ και αργότερααπό ολόκληρο τον κόσμο. Η διοίκηση του CERN, εκμεταλλευόμενη το γεγονός ότι πλέον η μόνη ερευνητική προοπτική για όλες τις κοινότητες ΦΥΕ παγκοσμίως ήταν ο LHC, και στο πλαίσιο δύο ευρύτερων πολιτικοκοινωνικών φαινομένων -μιας νέας ευρωπαϊκής ολοκλήρωσης και της αναδυόμενης παγκοσμιοποίησης- παρουσίασε τον επιταχυντή σαν μια «παγκόσμια μηχανή». Υπό αυτό το πρίσμα, ο LHC θα λειτουργούσε και ως μοντέλο ευρύτερων παγκόσμιων συνεργασιών με επιστημονικές, τεχνολογικές και διπλωματικές διαστάσεις. Η συγκεκριμένη μελέτη θα ολοκληρωθεί με μια ακόμα ανατροπή, που έλαβε χώρα λίγο πριν την «τελική ευθεία» της υλοποίησης του LHC. Πιο συγκεκριμένα, το 2000, ο LHC είχε προγραμματιστεί να πάρει τη θέση ενός άλλου επιταχυντή στο CERN, του LEP (Large Electron-Positron). Από τη στιγμή που θα χρησιμοποιούσαν το ίδιο τούνελ, ο LEP θα έπρεπε να σταματήσει τη λειτουργία του και να αποσυναρμολογηθεί. Το φθινόπωρο όμως του 2000, οι πειραματικοί φυσικοί στον LEP έρχονται αντιμέτωποι με ισχυρές ενδείξεις μιας εξαιρετικά σημαντικής ανακάλυψης, αυτής του μποζονίου του Higgs. Ως εκ τούτου, ζητούν από τη διοίκηση του CERN να παραταθεί η λειτουργία του LEP για λίγους ακόμα μήνες, προκειμένου να συλλέξουν περισσότερα ερευνητικά δεδομένα, που θα πιστοποιούσαν εάν όντως είχαν ανακαλύψει το Higgs. Η διοίκηση, παρά το γεγονός ότι συμμερίζεται την επιστημονική σημασία μιας τέτοιας παράτασης, αποφασίζει τον αιφνίδιο τερματισμό του LEP, φοβούμενη τον «εκτροχιασμό» του προγραμματισμού του LHC, που βρισκόταν σε συνθήκες μεγάλης οικονομικής πίεσης. Η σχετική διαμάχη που ξεσπά, ανάμεσα στην πειραματική κοινότητα και στην ηγεσία του CERN, είναι μια ακόμα ενδεικτική περίπτωση του τρόπου με τον οποίο συνυφαίνονται οι κόσμοι της φυσικής, της διπλωματίας και των οικονομικών, στο πλαίσιο της Επιστήμης Μεγάλης Κλίμακας.